浅谈预制钢筋混凝土U型板桩在水利工程中应用技术

浅谈预制钢筋混凝土U型板桩在水利工程中应用技术

刘钻

刘钻

安徽水利开发有限公司233000

摘要：文章结合湖州市太嘉河工程及扩大杭嘉湖南排工程（德清部分）对预制钢筋混凝土U型板桩实际应用情况，阐述了预制钢筋混凝土U型板桩的特点、适用范围、工艺原理、工艺流程及操作要点、材料与设备、质量及安全控制、环境保护等内容。可为同类水利工程项目参考。

关键词：预制；钢筋混凝土；U型板桩；水利工程；应用

前言

近年来，国家持续加大水利工程的建设投资，堤防工程是水利工程中非常重要的组成部分，是一项影响居民生活、基础设施建设、航运、环保等多方面发展的工程，其施工质量和安全性显得尤为重要。堤防工程经常需要在施工过程中设置临时或永久性的挡土止水结构，实践表明围护桩是一种较好的挡土止水结构，因水上施工桩身受水流、泥沙扰动，以及溜桩的影响，传统的陆上沉桩工艺难以保证桩身垂直度及沉桩质量，且板桩墙整体效果较差、进度缓慢施工成本高。安徽水利开发有限公司在浙江省湖州市太嘉河工程、扩大杭嘉湖南排工程（德清部分）等项目采用预制钢筋混凝土U型板桩这一水上和陆上均适用的挡土和护坡施工方法，在预制场集中加工，通过止水条及T型贯通槽拼装为一体，然后利用配套施工机械快速沉桩，保证了堤身施工安全，对比传统护岸工程施工方法，具有工厂化预制、施工进度快、施工灵活方便等特点。

一、预制钢筋混凝土U型板桩特点

1、工厂化预制U型板桩，采用成套定型钢模板，实现了U型板桩人工抹平工作机械化、自动化，预制速度快，质量保证率高，减少了生产过程中的安全隐患，能够生产出规格标准的U型板桩，方便后期施工。

2、预制U型板桩采用独特的U型截面设计，结构形式等效工字型结构，配以高强预应力钢棒，增强了与混凝土握裹力，具有高强度韧性、低松弛性、良好的可焊接性等特点，较普通的预制混凝土板桩具有良好的抗弯、抗剪性能，较地下连续墙等围护结构工艺更简单、成本更低。板桩沉桩后由于工字钢的约束作用，相邻板桩之间的相对位置得以较好的保持，并具有较好的止水效果，工序简单无需接头注浆工序，节省了工期及施工设备。

3、通过止水条与T型槽段的组合，相邻板桩联接整体性和止水效果好，利用导向架可以有效减少桩的平面扭曲和提高打桩效率。成型后U型板桩的垂直度与位移变形小，对于边坡、浅基坑维护抗裂、抗渗、止水效果好，整体稳定性高且外形美观。

二、适用范围

主要适用于砂类土、黏性土、碎石土等地质结构，主要应用于基坑支护、河航道护岸、排水沟渠支护、路基挡土等工程领域中，起挡土、护坡、止水、围护作用。

三、工艺原理

按设计尺寸工厂化预制U型板桩，预制时加入预应力混凝土用钢棒，以增强与混凝土的握裹力，待混凝土强度达到设计吊运强度后，运至施工现场，采用全站仪辅助控制导向桩的轴线和垂直度，打桩船锤击下沉定位型钢，吊放钢抱箍、工字钢，调整导向架水平，确保U型板桩垂直入槽；当导向槽口垂直度无误后，将定位型钢与导向架点焊固定，采用导向架、定位型钢控制U型板桩整体轴线，测量复核满足设计及规范要求后进行锤击沉桩，在沉桩过程中随时进行监测。采用预埋式止水胶条，并使U型板桩阴阳榫口紧密对接。沉桩检验指标以桩端设计标高为主、贯入度为辅。打好一排U型板桩后，重新插打下一排U型板桩的定位型钢，打桩船将导向架平行吊起、前移至下一位置施打下一排U型板桩。

图1预制U型板桩断面图

四、施工工艺流程及操作要点

1、施工工艺流程

2、操作要点

2.1施工准备

2.1.1施工区域放样：用测量仪器设备测量定位，设定板桩定位标志、轴线位置，标志应明显易识别。每测设一点，利用钢管或竹竿打入原滩地，并设置标志旗。

2.1.2施工区域清理及处理：陆地打桩区域场地整平，水上施工区域清除杂草、树枝、鱼网等杂物。

2.2U型板桩预制及运输

按设计尺寸定制U型板桩，采用定型钢模板，包括一个倒U形的下部钢模和两个可以打开、闭合的上部钢模，两个上部钢模的下端分别铰接在下部钢模两侧。模板厚度不小于5mm，表面光滑，不允许有凹坑、皱褶或其它表面缺陷，满足设计要求的结构尺寸；预制U型板桩一般采用C60高性能混凝土，预制过程中在板底适当位置嵌入钢筋吊环，板桩强度一般达到70%时方可吊装（设计有要求时按设计），强度达到90%时方可外运，强度达到100%时方可施打。按规范要求抽样，送有资质试验检测单位，对其外观尺寸、抗压强度、抗弯拉强度等指标进行检验，符合要求后方可投入使用。陆地上施工采用平板运输车、水上打桩作业采用运输船运至施工现场。

图2预制U型板桩平面示意图

2.3基线测量

在沉桩施工前，对现场的测量控制基线和基准点进行复核，根据现场情况进行施工平面坐标控制点和高程基准点的引测，及进行沉桩施工基线的放样。

2.4安装导向架

2.4.1浮吊船航（拖）行至指定位置下锚固定，运输船靠舶浮吊船，检查钢丝绳、导向架的吊点后，悬挂钢丝绳，由专人指挥起吊作业。

2.4.2打设导向桩：采用GPS定位，采用2台全站仪辅助控制导向桩轴线方向和垂直度，待导向桩自沉后，锤击或静压下沉。

2.4.3在板桩沉桩前依据方向架设导向架，导向架采用工字型钢，作为施打板桩的导向，导向架如图3所示。导向架固定完毕后，测量导向架中心坐标，与待打板桩坐标核对后，进行细部调整，直至满足要求，然后进行紧固。

图3导向架

2.4.4导向架由导向桩与导向梁组成，导向桩由两根钢管桩组成，当打入一定规模的U型板桩时，导桩可改为由一根已打好的工程桩和一根辅助桩组成，沉桩初期导梁采用两根十二米长的25a#工字钢焊接在钢抱箍上组成，通过在导架上增设限位梁滚轮与手扳葫芦使U型板桩紧靠。

2.5取桩

预制U型板桩是在外部厂家定制，为便于预制U型板桩堆放、运输、减少锈蚀，预埋吊环采用暗吊钩+钢丝套索组合结构，钢丝套索套在暗吊钩内。钢丝套索由镀锌钢丝绳和铝制绳套组成，必须满足吊装安全要求，单支钢丝绳及绳套组合构件的抗拉力不得小于单支暗吊钩的抗拉力。吊装过程中应使钢丝绳套的受力方向在30°以内，吊装时U形板桩下方严禁站人。施工前应多钢丝套索做相关力学实验。板桩在施工过程中，搁置点和起吊点应设置在吊钩的位置。

2.6入导向架

板桩采用单根施打的方式，由专门人员指挥起吊设备起吊预制U型板桩，施工操作人员严格按指挥人员指示将板桩吊入导向架内，由水上打桩船（在驳船上架设静压机或打桩机）或陆上打桩机进行静压或锤击。

当打入第一根预制U型板桩后进行第二根预制U型板桩入导向架施工时，因其采用预埋式止水胶条，在入导向架时，必须使阴阳榫口紧密对接，确保桩间接缝结合紧密。

2.7定位压紧

板桩沉桩时进行初定位，对于U型板桩沉桩而言，首根定位桩极其重要，它的平面位置及垂直度将直接影响以后整排板桩，采用测量仪器设备定位为主，常规测量进行复核确定。在板桩沉桩过程中，用全站仪监测板桩的垂直情况，用手扳葫芦拉动限位梁滚轮进行调整。

2.8锤击沉桩

2.8.1在重新确认桩位准确无误后，利用桩身自重进行自沉。

2.8.2当桩身停止自沉后，先利用桩锤进行压载下沉，压锤后待桩稳定，使桩、锤、导向架三者的中心线在同一轴线上。

2.8.3当桩身停止下沉后，开锤施打，为防止出现溜桩现象，采用油门控制桩锤供油量，使之不连续锤击。

2.8.4加强对沉桩施工过程的观测，记录沉桩过程中的各种情况和变化，记录沉桩过程中的锤击数、打桩时间、桩位编号及最后贯入度、桩身入土深度和桩尖进入持力层深度；并查明异常情况的原因，采取相应的有效措施，处理后方可继续沉桩。

2.8.5打桩时入土速度应均匀，锤击间隙时间不宜过长，否则会使桩身与土层之间摩擦力恢复，造成固结现象而使打桩困难。

2.9调整偏位

在自沉或压锤后，如发现板桩偏位较大，只能将板桩拔起后，重新定位调整，禁止在沉桩过程中挤桩纠偏，以免因过大的调整而将板桩断裂。

2.10导梁安装

后期导向梁一头嵌入已沉混凝土板桩U型槽内，另一头挂在一根已打好的工程桩上，由型钢焊接而成，确保其刚度要求，通过加长导向架尾部，使多根已沉板桩卡在导向架内，增加整体刚度，且避免因本组沉桩叠加的导架内力将已沉好板桩拉出榫槽。

2.11下一根桩

板桩采用单根施打的方式，在打下一根桩进行入导向架时，必须使板阴阳榫口紧密对接套榫插入，保证板桩与板桩间形成一个整体。打好一排U型板桩后，重新插打下一排U型板桩的定位型钢，打桩船将导向架平行吊起、前移至下一位置施打下一排U型板桩。

五、材料与设备

1、主要材料

U型混凝土板桩从专门厂家定制，并负责运送至施工现场，规格质量必须符合设计要求和施工规范的规定，同时应具有产品出厂合格证书，同监理单位一起按规范要求进行外观检查验收，验收确认合格后方可施工。

预制U型板桩按截面高度可分为：300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm等规格，板桩采用卡口式结构，目的是使桩连接紧密，提高抗冲刷及防渗作用。为了使板桩整齐地打入地下并和各板桩之间紧密结合在板桩两侧做有阴阳榫。其一侧从板桩顶到桩尖做成通长的阴榫；另一侧从桩顶到桩底以上1m作为阳榫。吊钩采用双点吊（吊点在0.207L处）。

2、机械设备

主要有：水准仪、全站仪、GPS定位仪、振动锤、挖掘机等；

水上施工设备：打桩船、运输船、浮吊船；

陆上施工设备：打桩机、运输车、吊机。

六、施工质量控制

1、质量控制

1.1施打前，确保预制桩的强度和龄期满足设计和规范要求。

1.2沉桩作业前，必须对沉桩水域水下地形进行探摸，对防碍沉桩的障碍物必须清除。

1.3因为预制U型板桩是刚性体，轴线方向阴榫阳榫锚固相连形成一堵地下墙体，所以定位桩的垂直度和稳定性很关键，在施工过程中采用测量仪器设备严格控制板桩的垂直度和平面位置，并按要求将定位桩沉到设计标高，以确保定位桩的稳定性。

1.4完成定位桩的施打后，逐根依次将下一根板桩套榫插入，然后一次性沉桩到设计标高位置。

1.5板桩墙是连续的，每根桩的正位程度对后续桩的正常施打都有很大影响，在施打过程中，始终做到精心控制，确保沉桩质量。

1.6打桩船移船时，应密切注意锚缆状态，安排抛锚艇在现场值班监督，避免抽芯锚缆等刮碰已打好的桩。

1.7打桩时，应对桩位进行校对，准确无误放可打桩，当打至接近标高时，不可过早停，以免造成不下或超压现象。

1.8终止打桩应根据试桩情况，会同相关单位共同确定，施工中如遇异常情况，应立即向上级部门反映，共同研究，协同解决。

1.9沉桩记录

在打桩过程中记录沉桩过程中的各种情况和变化，记录沉桩过程的锤击数、打桩时间和桩位编号、每米沉桩的锤击数、总锤击数。当沉桩过程中贯入度发生剧变，桩身发生突然倾斜、位移或有严重回弹，桩头或桩身破坏，桩身上浮等现象时应暂停施工，检查整个沉桩过程，查明原因并采取有效措施进行处理后方可继续施工。

2、技术保障措施

2.1轴线控制

打桩前进行系统的轴线复合，板桩轴线偏差应控制在20mm以内。检查和调整夹桩装置，以保证桩轴线符合要求，并防止板桩脱榫。

2.2垂直度控制

用全站仪校正和监控桩身垂直度。打桩开始至入土2m期间，发现偏斜应及时停机调整，如有可能，应将桩拔出，清障回填后重新沉桩。桩体严重倾斜时，须将桩拔出，用钢桩定位，再将桩重新沉入。

2.3高程控制

桩尖位于软土时，以桩尖达到设计标高为符合要求，桩顶允许偏差应控制在-50，+100mm范围。板桩施打至接近规定标高时，应调节振动锤的参数来控制震动的频率及力度，以保证桩顶高程符合设计要求。

2.4板桩动测试验

成桩动测抽样率为2%，单桩缺陷面积＜20%。

2.5.板桩预制允许偏差见下表。

板桩预制允许偏差值

2.6沉桩允许偏差

参考《水运工程质量检验标准》（JTS257-2008）。

七、安全措施

1、预制U型板桩施工过程应执行相关安全规范及标准。

2、桩基开工前，测试检查吊机的提升装置、安全装置、电器设备、操作系统、静负荷试验、动负荷试验，以及打桩锤的安全装置、操作系统等，正式施打前应再次确认各种设备的安全。

3、在安装钢导向架、吊桩、吊振动锤、移动吊机船时，吊机吊臂下方严禁站人。

4、施工前对施工人员应进行全员安全技术交底，特殊工种持证上岗。

5、沉桩过程中，指挥联络信号必须清楚而且统一。

6、水上施工必须全员穿救生衣、戴安全帽；所有作业船只必须配备救生设备及消防器材等。

7、水上作业，应遵循相应的水上安全作业规程的规定。

8、当风力达到6级以上时，必须停止打桩作业，并将打桩锤放至平整坚实的地面上。

9、打桩架、桩锤须经验收合格后挂牌方可使用，安全装置灵敏、可靠、保险标牌信号醒目，架体稳固。安全防护、卷扬机、吊索绳卡等须符合规范。

10、严禁吊桩、起锤、移船同时进行；桩机在吊有桩的情况下，操作人员不得离开。

11、起重指挥应由技术熟练的持证人员担任，指挥时应站在能够照顾到全面工作的地点，所发信号应事先统一，并做到准确、清楚，严格遵守“十不吊”制度。

八、环保措施

1、健立健全环保管理组织机构，编制环境保护措施，对施工过程中存在的污染源进行评估，确定工程施工环节存在的污染源的等级，重大污染源应制定防治预案并编制演练计划。

2、施工船只应严格执行河道及航运等相关管理部门的有关规定，做到文明施工。

3、施工中必须加强生活和生产废弃物的收集，严禁向河道中或施工场地周围随意抛弃，造成污染。

4、加强机械设备、船只的维修与保养，杜绝漏油对河道的污染；同时，减少有害气体排放，确保施工机械废气排放符合环保要求，减少噪声的污染。

九、结束语

预制钢筋混凝土U型板桩在浙江省湖州市太嘉河工程、扩大杭嘉湖南排工程（德清部分）等项目的堤身防护施工中，因工效、成功率高而缩短了关键工期，有效降低了项目管理总成本；同时保证了施工质量，提高了现场工作效率，并提升了验收优良率，降低了因验收不合格进行返工的费用。

掌握了此项施工技术，可快速投入使用，快速形成围护结构，施工安全高效，挡土、防渗、止水效果优良，获业主、监理等单位一致好评，提高了公司的品牌效应，提升了水利行业的核心竞争力，带来了显著的社会效益。预制钢筋混凝土U型板桩应用效果良好，类似水利工程的防护可参考使用。